（计算机应用技术专业论文）移动式学习平台体系结构设计与实现研究.pdf

移动式学习平台体系结构设计与实现研究 摘要 嵌入式系统、网络及通信等相关技术的发展正在对人们社会生活的各个方面产生深 刻的影响和带来巨大的变化。近年来，数字化学习的发展十分迅速，而提高学习的灵活 性和学习效率，寻求突破其在时间和空间上的限制，做到随时学、随地学已经成为数字 化学习的重要研究内容。移动式学习因其使用无线通信技术作为传输媒介，利用手持移 动设备作为用户终端，具备良好的灵活性和开放性，是构建无所不在的学习环境的重要 手段。目前移动式学习的主要仍然以非面向连接服务的形式提供信息，并且通常使用非 专用设备作为用户终端，这就大大限制了移动式学习的进一步发展。 本文针对数字化学习的发展和研究的现状，分析了移动式学习中需要研究和解决的 主要问题，以及现有移动式学习体系结构在系统灵活性、网络带宽和用户终端实用性等 方面的不足。在此基础上，结合中国网上教育平台示范工程项目的基本需求，构建了一 种基于嵌入式无线多媒体技术的面向连接的移动式学习平台结构。该结构可以划分为数 据服务端、控制服务端和移动学习终端等几个部分。数据服务端负责音视频及静态图文 等流媒体信息处理及实时传输；控制服务端负责学生及教师等用户身份认证、教学管理： 移动用户终端则是提供用户使用并接收流媒体教学信息的移动设备。 基于i n t e l p x a 2 5 5 处理器及l i n u x 操作系统，文中实现了一个面向连接的移动学 习平台，并从软件及硬件两个方面阐述了系统的设计和实现过程。首先对移动学习平台 软件结构进行了分析和设计，研究了无线多媒体实时教学功能关键技术的实现；然后基 于i p p 多媒体库完成了m p e g 4 a m 购p e g 等多媒体数据的编解码及嵌入式l i n u x 下 c f 接口网卡和s d 存储卡的驱动程序开发，并给出移动用户终端的硬件设计方案；最后 文中搭建了一个较为完整的移动学习系统，并对其进行了各项教学功能的测试和评价， 检验了面向连接的移动学习结构的正确性。面向连接的移动学习结构解决了用户终端无 线网络接入问题，提高了系统网络传输的带宽，提高了设备的使用性，具有一定的推广 价值和应用前景。 关键宇：数字化学习；移动学习；嵌入式系统；m p e g - 4 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，i n t e m e t ，t e l e c o m m u n i c a t i o na n dt h e i rr e l a t e d t e c h n o l o g i e sh a sb r o u g h tp r o f o u n di n f l u e n c e sa n dg r e a tc h a n g e st oa l m o s te v e r yc o m e ro f h u m a ns o c i e t y i np a r t i c u l a r , e l e a m i n gh a st e n d e dt ob em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nr e c e n t y e a r s h o wt oi m p r o v el e a r n i n gf l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n c ya n db r e a kt h ec o n s t r a i n t so ft i m e a n ds p a c eh a v eb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti s s u e si nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e a m i n g t h e r e f o r e ，m o b i l el e a r n i n g ，w i t l lw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya st h et r a n s m i s s i o n m e d i aa n dp o r t a b l ed e v i c ea st h et e r m i n a lo nt h eu s e r se n d , i so n eo ft h ek e yi n s t r u m e n t si n c o n s t r u c t i n gaf l e x i b l ea n do p e nl e a r n i n ge n v i r o n m e n t h o w e v e f ，c o n n e c t i o n l e s ss e r v i c e si s s t i l lam a j o rf o r mo fi n f o r m a t i o np r o v i d i n gi nm o b i l e l e a r n i n gn o w b e c a u s e i tu s e s n o n - e x c l u s i v ed e v i c ea st h eu s e r st e r m i n a l ，i tp l a c e sar a t h e rb i go b s t a c l ef o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to f m o b i l el e a r n i n g t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n ts t a t eo fe l e a m i n gr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ， a n a l y z e dm a j o ri s s u e so fr e s e a r c ha n ds o l u t i o ni nm o b i l el e a r n i n g ，a n dt a c k l e ds o m ef l a w si n s y s t e mf l e x i b i l i t y , b r o a d b a n da n dt h ea p p l i c a b i l i t yo fu s e r st e r m i n a lo fe x i s t i n ga r c h i t e c t u r e f u r t h e r m o r e ，i tp r o p o s e dac o n n e c t i o n - o r i e n t e dm o b i l el e a r n i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do n e m b e d d e dw i r e l e s sm u l t i m e d i at e c h n o l o g yi nt h er e s e a r c ht os a t i s f ys o m eb a s i cr e q u i r e m e n t s o ft h es a m p l ee n g i n e e r i n gp r o j e c to fo n l i n ee d u c a t i o np l a t f o r mc o n s t r u c t i o no fc h i n a t h i s p l a t f o r mc a nb ed i v i d e di n t od a t as e r v e r , c o n t r o ls e r v e r , a n dm o b i l el e a r n i n gt e r m i n a l ，i n w h i c hd a t as e r v e rw o r k so nt h ep r o c e s s i n ga n do n l i n et r a n s m i s s i o no fs t r e a mm u l t i m e d i ad a t a s u c ha sv i d e oa n ds t a t i cp i c t u r e ，c o n t r o ls e r v e ra u t h o r i z e sa n di d e n t i f i e st h ei do f u s e r ss u c ha s t e a c h e r sa n ds t u d e n t sa n da d m i n i s t r a t e st e a c h i n ga f f a i r s ，a n dm o b i l el e a r n i n gt e r m i n a li st h e m o b i l ed e v i c et h a te n a b l e st h eu s e rt ou s ea n dr e c e i v es t r e a mm u l t i m e d i ad a t a b a s e do ni n t e lp x a 2 5 5p r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n i m p l e m e n t e dac o n n e c t i o n - o r i e n t e dm o b i l el e a r n i n gs y s t e ma n de x p l a i n e dt h ep r o c e s so f s y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni nt e r m so fb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i ta n a l y z e da n d d e s i g n e d t h es o f t w a r ec o n s t r u c t i o no fm o b i l el e a r n i n gs y s t e ma n dp r o b e di n t ot h e i m p l e m e n t a t i o no fs o m ek e yt e c h n o l o g yo ft h ew i r e l e s sm u l t i m e d i ao n l i n et e a c h i n gf u n c t i o n i ta l s oc o m p l e t e dt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n go fm u l t i m e d i ad a t aw i t hm p e g - 4 a m r j p e g b a s e do ni p pm u l t i m e d i al i b r a r y , d e v e l o p e dt h ed r i v e r so fc fw i r e l e s sn e t w o r ka d a p t e ra n d s dm e m o r yd i s ku s e di ne m b e d d e dl i n u x ，a n dp r o v i d e dt h eh a r d w a r ed e s i g no f m o b i l eu s e r s t e r m i n a l a tt h ee n d ，t h ed i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t e daf a i r l yc o m p l e t em o b i l el e a r n i n gs y s t e m ， i i 移动式学习平台体系结构设计与实现研究 t e s t e da n da s s e s s e dv a r i o u st e a c h i n gf u n c t i o n si ts h o u l dp r o v i d e ，p r o v e dt h ev a l i d i t yo f c o n n e c t i o n - o r i e n t e dm o b i l el e a r n i n ga r c h i t e c t u r e c o n n e c t i o n - o r i e n t e dm o b i l e l e a r n i n g a r c h i t e c t u r ep r o v i d e sas o l u t i o nf o rt h ea c c e s so fl l s e r st e r m i n a lt ot h ew i r e l e s sn e t w o r k e x t e n d st h eb a n d w i d t ho fw i r e l e s sn e t w o r k ，a n di m p r o v e st h ea p p l i c a b i l i t yo fd e v i c e sa n d t h e r e f o r ee a l n eu pw i t ht h ec o n c l u s i o nt h a tt h es y s t e mw a so fv a l u et ob ep u b l i c i z e da n dh a s f i n ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：e l e a r n i n g ；m o b i l el e a r n i n g ；e m b e d d e ds y s t e m ；m p e g - 4 i i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 论文结构3 图2 1 数字化学习环境6 图3 1 移动学习平台结构1 4 图3 2 移动学习终端硬件结构图1 9 图3 3 数据控制端结构2 2 图4 1 移动学习平台软件结构一2 4 图4 2 控制一流媒体服务器状态2 6 图4 3 控制一移动学习终端状态2 7 图4 4 流媒体服务器一移动学习终端状态2 8 图4 5m p e g 一4 编码层次图3 0 图4 6 电子笔记本流程图一3 1 图4 7c f 网卡驱动程序结构3 2 图4 8s d 卡初始化状念图3 3 图5 2 系统开发环境结构一3 6 图5 3i v o p 编码过程4 l 图5 4p - v o p 编码过程4 l 图5 5i v o p 解码过程4 2 图5 6p - v o p 解码过程4 3 图5 7j p e g 解码流程4 7 图5 8m p e g 一4 负载格式4 8 图5 9a m r 负载格式4 8 图5 1 0j p e g 负载格式4 8 图5 1l 缓冲策略状态图4 9 图5 1 2c f 网卡驱动结构5 1 图5 1 3s d 的命令格式5 2 图5 1 4r l 回应格式5 2 图5 1 5p x a 2 5 5 结构框图5 4 图5 1 6p x a 2 5 5p r o t e l 设计图5 5 图5 1 7 移动学习平台运行实例5 5 图6 1 测试系统的结构一5 7 i v 表3 1 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 移动式学习平台体系结构设计与实现研究 附表索引 无线网络接方式的选择 m p e g 一4 编码i p p 原语 标准视频格式 m p e g 一4 解码i p p 原语 a k l r 编码后帧长度 j p e g 解码i p p 原语 v 1 6 3 9 4 0 一4 2 4 4 4 6 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名易膨 吼彬年岁月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密卧 ( 清在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：如哕年j ，月一e t 日期：2 魄年f 月 日 去v 威 刮簪 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 项目来源、目的和意义 本课题受到中国网上教育平台示范工程项目的资助。 教育是国家发展的基础。传统的教育模式是教师和学生在教室里进行面对面的教 学活动。移动学习( m l e a r i n g ) 【1 】是一种在移动计算设备帮助下的能够在任何时间任 何地点发生的学习，其使用的移动计算设备必须9 够有效的呈现学习内容并且提供教 师与学习者之间的双向交流。移动学习中的学习者不一定坐在教室里或者电脑旁边， 可以随时随地的以不同的方式进行学习，并且学习环境、教师、研究人员等都可以是 移动的。移动学习中的移动计算设备应该具有便携性( 形状小、重量轻、便于携带) 、 无线连接( 使用无线通信技术) 和移动性( 在移动的环境中也能正常使用) 的特点， 应该是能够提供网页浏览等功能的手持无线通信设备，如p d a 、移动电话等等。 随着新世纪的到来，终身学习成为现代社会的需要，传统教室之外的学生人数大 大增加。他们没有固定的学习场所和固定的学习时间，甚至工作环境也不固定。目前 的网络教育模式还无法满足这一部分人群的学习需求。此外，网络教育中出现的形式 单一化、教学资源贫乏、扩展性不强、灵活性差等缺点使得网络教育的发展和应用受 到了限制。移动式学习打破传统教学模式在时间、空间上的限制，弥补网络教育在资 源扩展、教学方式等方面的不足，使用户可以随时随地的学习，在不同的环境、不同 的时空下选择一个合适的方式进行学习，营造一个自主的、个性化的学习环境。移动 式学习平台的研究正是基于移动学习理念和建构主义理论【2 l 【3 l ，在移动互联网技术的 基础上将嵌入式系统设计、实时多媒体技术以及无线接入技术结合起来，提供一个灵 活的、开放的学习平台。因此，移动式学习平台的设计与实现研究对加快我国教育信 息化建设、提高全民受教育程度，实现全民教育、终身教育的目标具有重要意义。 1 2 研究内容 移动式学习平台的研究与设计是数字化学习的重要内容。数字化学习包括在线学 习、基于w 印的培训、虚拟大学和教室、数字协作和基于技术辅助的远程学习等。 移动学习的研究主要有以下几个方面l l j ： 第一，何种无线通信技术最适合移动学习的要求。移动学习要求无线通信能提供 较高的带宽，允许大块的数据，包括音视频等多媒体数据实时传输。并且这种通信技 术的费用要低，适合进行大规模的推广。 第二，何种便携设备适合移动学习的要求。作为随时使用的设备，移动学习平台 的客户端设备必须轻巧、便于携带；必须具有网络访问能力、友好的用户界面以及提 移动式学习平台体系结构设计与实现研究 供较好的教学和生活辅助功能等。另外，便携式设备如何尽可能的延长电池使用时间 也是一个非常重要的方面。 第三，移动学习平台的建立给老师和学生的教学和学习方式带来的影响。移动学 习平台提供很好的灵活性和自主性使得学生可以随时、随地的进行学习活动。这同时 也要求学生需要较好的自我控制能力和明确的学习目标；老师的教学方式也起了变 化，远程教学和辅导成为主要手段。评价移动学习给双方带来的影响，制定切实可行 的标准将非常重要。 第四，移动学习平台提供的学习环境需要完整的学习策略、课程资源和评价系统 的支持。对上述内容进行研究和设计开发将是影响移动学习平台推广使用的重要因 素。 本文主要构建了一个面向连接的移动学习体系结构，实现了一个较为实用的移动 学习平台，选择8 0 2 1 l b 作为无线网络接入方式，并设计和开发了基于1 n u x 的移动 学习终端及相关系统软件，完成了软硬件系统设计，并进彳亍了实物原型的测试和分析。 1 3 本文的主要工作 本文通过对数字化学习中的移动学习进行分析和研究，提出了一个较为完整的移 动式学习平台结构，利用无线网络、实时流媒体以及嵌入式系统技术设计和实现了一 个移动式学习平螽。具体工作如下： 1 分析了构建移动学习环境所需的相关知识和技术背景，针对数字化学习环境 中移动学习平台的特点，构建一个面向连接的移动式学习体系结构。 2 根据移动学习的特点和需求，完成移动学习平台的软件、硬件结构的分析和 设计。 3 。利用 p p 库和p x a 2 5 5 嵌入式平台，设计和实现基于m p e c r - 4 j p f b a m r 的多媒 体编解码，并利用r t p 协议进行实时流媒体传输，实现无线多媒体实时学习。 4 分析和研究了基于l i n u x 的嵌入式系统开发和移植。完成了q t o p i a 、 b 0 0 t l o a d e r 的移植以及s d 卡、c f 网卡等的驱动开发。 5 自行设计了移动学习平台中的移动学习终端硬件系统，并在硬件原型系统上 完成上述工作及系统功能的测试和分析。 2 硕士学位论文 1 4 论文的结构 辫l 辫耱逾 _ | l _ l ；豁罐黼鬟麟辩 毒 l 瓣3 镬，i 禽巅黼鞲黪擎摊繇蛙撵 l 毒 i i 罄撩蒋5 麟习黟翁鞭| 隅耘救礁玲 毒 i i 募l 囊睡薅擎珂挚静囊髋辩禳燧 毒 l 驾撼攀移渤攀簿警静魏撼斌蜘弹持 毒 始德 图1 1 论文结构 鍪塑圣兰型兰：塞篁量彗丝墼兰：型垒：= = = = = = ： 2 1 嵌入式多媒体技术 第2 章相关研究 嵌入式多媒体系统已经成为当今电子产业中非常重要的部分。嵌入式多媒体将嵌 入式系统与多媒体技术相结合，利用嵌入式系统的稳定性、专用性和应用背景明确等 特点，发挥多媒体数据的信息量大、形式丰富的优势，在消费类电子、工业现场和远 程教育领域都有很好的应用前景。 2 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统h 通常认为是嵌入到某个更大的系统中的、完成某些完整功能的由软 件和硬件组成的组件。嵌入式系统一般是比较小、甚至是手持的，低功耗的，面向较 为简单应用的系统。随着微电子技术和半导体技术的高速发展，超大规模集成电路技 术和深弧微米制造工艺己趋于成熟，从而使高性能系统芯片的集成成为可能，并推动 着嵌入式系统向更高级构建形式即片卜系统p j l 6 】的水平发展。嵌入式技术的快速发展 不仅使其成为当今计算机技术和电子技术的一个重要分支，同时也使嵌入式系统得到 更深入、更广泛的应用。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、存储器、i o 设备、操作系统及应用软件等 构成。而在上述的这些部分中，嵌入式处理器是硬件部分的核心，嵌入式操作系统则 是软件部分的核心。嵌入式系统与传统p c 比较起来，有其自身的特点 7 1 1 8 1 1 9 1 ： 第一，可靠性和稳定性对嵌入式系统有着特别重要的意义。从逻辑e 功能相同的 部件，可能在嵌入式系统中需要考虑到更多方面的影响。其所使用的元件对质量和可 靠性指标要求都会比较高，对环境温度等因素也需要考虑到更多； 第二，嵌入式系统的软硬件都是面对特定的应用而设计的，具有很强的专用性。 嵌入式系统的控制对象一般会比较简单( 相对于p c ) 。所以其处理器也不会具有通用 c p u 那么强大的处理能力，而且开发环境也会较p c 更加复杂和繁琐。另外，嵌入式 系统对“死机”时的恢复要求也较高，通常都会采用一种“看门狗”的机制。嵌入式 系统的长期运行和对容错能力的要求也特别强。 第三，嵌入式系统的实时性能要求比较高，需要对外部事件做出迅速的反映。虽 然现在嵌入式系统的发展出现了许多不带实时要求的应用，但多数嵌入式系统有着不 通程度的实时要求。同样，系统对安全性u o 的要求也和p c 及服务器系统有所不同。 第四，在嵌入式系统的组成上，外部接口比较丰富，从而便于各种控制环境；存 储设备主要以f l a s h 为主，容量不会很大。 嵌入式多媒体的发展给于嵌入式系统走进我们日常生活更多的机会和挑战。当今 主要的嵌入式处理器生产厂家都加大了针对多媒体应用的嵌入式微控器的开发。嵌入 主要的嵌入式处理器生产厂家都加大了针对多媒体应用的嵌入式微控器的开发。嵌入 移动式学习平台体系结构设计与实现研究 2 1 嵌入式多媒体技术 第2 章相关研究 嵌入式多媒体系统已经成为当今电子产业中非常重要的部分。嵌入式多媒体将嵌 入式系统与多媒体技术相结合，利用嵌入式系统的稳定性、专用性和应用背景明确等 特点，发挥多媒体数据的信息量大、形式丰富的优势，在消费类电子、工业现场和远 程教育领域都有很好的应用前景。 2 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统 4 1 通常认为是嵌入到某个更大的系统中的、完成某些完整功能的由软 件和硬件组成的组件。嵌入式系统一般是比较小、甚至是手持的，低功耗的，面向较 为简单应用的系统。随着微电子技术和半导体技术的高速发展，超大规模集成电路技 术和深亚微米制造工艺已趋于成熟，从而使高性能系统芯片的集成成为可能，并推动 着嵌入式系统向更高级构建形式即片上系统0 1 1 6 的水平发展。嵌入式技术的快速发展 不仅使其成为当今计算机技术和电子技术的一个重要分支，同时也使嵌入式系统得到 更深入、更广泛的应用。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、存储器、i o 设备、操作系统及应用软件等 构成。而在上述的这些部分中，嵌入式处理器是硬件部分的核心，嵌入式操作系统则 是软件部分的核心。嵌入式系统与传统p c 比较起来，有其自身的特点1 7 1 1 8 1 1 9 ： 第一，可靠性和稳定性对嵌入式系统有着特别重要的意义。从逻辑上功能相同的 部件，可能在嵌入式系统中需要考虑到更多方面的影响。其所使用的元件对质量和可 靠性指标要求都会比较高，对环境温度等因素也需要考虑到更多； 第二，嵌入式系统的软硬件都是面对特定的应用而设计的，具有很强的专用性。 嵌入式系统的控制对象一般会比较简单( 相对于p c ) 。所以其处理器也不会具有通用 c f u 那么强大的处理能力，而且开发环境也会较p c 更加复杂和繁琐。另外，嵌入式 系统对“死机”时的恢复要求也较高，通常都会采用一种“看门狗”的机制。嵌入式 系统的长期运行和对容错能力的要求也特别强。 第三，嵌入式系统的实时性能要求比较高，需要对外部事件做出迅速的反映。虽 然现在嵌入式系统的发展出现了许多不带实时要求的应用，但多数嵌入式系统有着不 通程度的实时要求。同样，系统对安全性f 1 0 】的要求也和p c 及服务器系统有所不同。 第四，在嵌入式系统的组成上，外部接口比较丰富，从而便于各种控制环境；存 储设备主要以f l a s h 为主，容量不会很大。 嵌入式多媒体的发展给于嵌入式系统走进我们日常生活更多的机会和挑战。当今 主要的嵌入式处理器生产厂家都加大了针对多媒体应用的嵌入式微控器的开发。嵌入 4 坝士学位论文 式系统在家庭中的应用【l l 】已经引起了我们很大的关注。同时，无处不在的计算与可穿 戴计算【1 2 】的提出也为我们进一步研究嵌入式系统应用提供了很好的方向。嵌入式系统 处理的对象往往比较多，也比较复杂。为此，系统往往把这些对象作为任务的软件模 块来处理；另外，系统对实时性的要求也比较高，用来快速响应各种事件的处理。嵌 入式操作系统的内核虽然都不大，但一般都具有实时处理和多任务调度的功能，故有 很多嵌入式操作系统也称为实时操作系统。 2 1 2 多媒体应用的网络需求 随着网络技术的发展，人们已经不满足于传统的通信方式，各种基于网络的多媒 体通信技术不断出现，如视频会议、远程教育等等。与过去基于嬲络的应用不同，如 今网络多媒体技术对网络提出了更高的要求，主要反映在带宽需求大增、要求服务质 量q o s 保证、多点播送支持等等1 1 3 j 。 网络带宽是限制网络多媒体应用发展的重要原因。多媒体通信的数据量往往比较 大，其中可能会有视频、音频、图片等多种类型的数据。即使经过压缩后的多媒体数 据对于当前网络带宽来说依然较大。当前有线以太网络的发展使得到桌面的带宽已有 1 0 0 m ，已经能够满足一般网络多媒体的带宽需求。但移动技术的迅速发展使得我们 必须看到在移动网络中提供多媒体服务的必要性。目前投入实际运行的无线数据服务 网络的带宽还不能充分满足多媒体应用的需求。 服务质量决定了网络多媒体应用的生命力。q o s 不仅需要操作系统的支持，也需 要网络中的路由器和交换机的支持。数据通信中的延迟和抖动成为需要解决的主要问 题。延迟的主要在路由器进行包转发时产生。对于在线视频点播这一类型的多媒体网 络应用，如果延迟发生的时间间隔大致相同，则对于用户的影响不是很大。但如果是 类似于移动学习平台这种要求实时多媒体通信的应用，则延迟会给系统带来很大的影 响。抖动则是由于数据包在经过交换网络之后先后到达目的地，顺序不同导致。本文 在系统设计中将通过各种编解码和传输策略来减少延迟和抖动对系统的影响，提高服 务质量。 相对于传统的点对点通信，网络多媒体应用经常需要一点对多点的通信，这就需 要组播的支持。组播需要操作系统和网卡支持。 2 2 数字化学习 上个世纪后期电子革命和信息技术发展的显著的标记就是个人电脑的产生和飞 速发展。从那以后，集成电路和微电子技术的进展为我们提供了更高豹处理器速度和 更低的个人电脑价格。c p u 的处理能力正以超乎想象的速度提高。个人电脑目前已经 逐步走进中国人的生活，很多普通的家庭也在使用电脑。同时网络快速发展，也为基 于p c 的数字化学习提供了必备的条件。数字化学习一般是通过现有的网络，并利用 移动式学习平台体系结构设计与实现研究 数字工具取得数字教材，进行线上或是离线的学习活动。数字化学习包括在线学习、 基于w e b 的培训、虚拟大学和教室、数字协作和基于技术辅助的远程学习等等。当前 主要的数字化学习一般基于连接到i n t e 瓯e t 的有线网络。数字化学习的推广使得更 多的人有更好的机会接受教育。不断提升数字化学习的能力，发展数字校园、数字社 区，对构建终身学习的社会环境有积极的影响。 2 2 ，1 数字化学习概述 信息技术的发展正对人类学习方式产生深刻的影响，同时也将引起教育、教学领 域的巨大变革。数字化学习( e l e a r n i n g ) 有点与在线教育类似。在线教育特征是可 以总结为以下几个方面【lj ： 教师和学生分离将其从面对面的教育中区分出来； 有影响的教育组织将其从自学和私人指导中区分出来 个人电脑的使用来展示或者发布一些教学内容； 通过电脑网络提供双向交流。从而学生可以相互之间以及和老师、职员进行 交流，并从中获益。 综合看来，数字化学习主要是指通过信息技术，如i n t e r n e t 网络等进行的学习 与教学活动，它充分利用现代信息技术提供一种全新的交流模式与丰富资源的学习环 境，实现一种自由、个性化的全新学习方式。这种学习方式将改变传统教学中教师的 作用和师生之间的关系，从而根本改变教学结构和教育本质。当前主要的数字化学习 环境如图2 1 所示： 图2 1 数字化学习环境 从图2 1 中我们可以看到，当前的数字化学习环境还是主要以p c 机为平台，以 本地有线网络为主要传输媒介。无论是学生还是教师，以p c 机为载具，通过数字化 学习环境提供的工具进行在线教学、在线交流、在线考试等功能。从技术上来说，尽 管在某些方面还需要更多的改进，但数字化学习已经能够实现传统教学方式中的主要 功能，实际上目前国内很多高校和企业已经从中受益颇多。数字化学习具备了大量传 统学习所不具备的优势： 6 硕士学位论文 任何人随时、随地的学习。i n t e r n e t 的广泛应用已经为数字化学习奠定了良 好的基础。在日常工作中使用电脑的人越来越多，而网络相关的软硬件资源 建设也飞速发展，因此技术上的一些障碍以及带宽限制很可能在未来几年内 得到显著的缓解。学生可以通过互联网络随时获取课程资源，进行提交作业 和参加考试等等教学活动；企业将能够把培训或其他关键信息快速高效她传 输，雇员也能够按照自己的需求访问这些资源。 消除空间障碍，降低教学成本。通过网络信息技术实现的数字化学习方案， 可以明显提高接受教育的人数，同时也能够降低培训和咨询教师的费用。从 地域上来说，数字化学习最大的优势在于不要求学生与老师都集中在一个教 室中。这种对地域空间上的突破不仅仅是金钱上的节省，同时也使得原本的 教学模式起了重要变化，教学手段变得更加丰富起来。 个性化的学习保持学习活力。数字化学习为学习风格的个性化提供了空间。 数字化学习的平台应该能够提供学习记录、进度管理与评价的功能，并具备 与网络通讯的能力。从而使用者可以按照自己的特点定制学习方案，还能够 随时复习学习的内容。 在线交互和协同能力。数字化学习提供在线交流、在线辅导、虚拟实验和在 线考试等功能。在线的互动方式可以提供案例分析、情景描述、示范、讨论 组、教师指导、临时项目小组、聊天塞、测试练习、电子邮件、公告板、提 示、指南、常见问题解答，以及练习向导等工具。 2 2 2 数字化学习的内涵 数字化学习的内涵【1 4 】是利用现代信息技术手段，通过信息技术与学科课程的有效 整合来实现一种理想的学习环境和全新的、能充分体现学生主体作用的学习方式，从 而彻底改革传统的教学结构和教育本质，达到大批培养创新人才的目的。 现代信息技术手段是数字化学习的硬件条件。数字化学习所需要的通讯手段、数 字化资源、数字化的管理等等都需要信息技术的发展和更新来支持。这其中当然包括 学习平台的开发、网络多媒体软件与人机界面技术、数字化学习内容管理、数字化学 习内容处理技术等多方面的课题。 信息技术与学科课程的整合则是从资源、环境、方法等各方面为数字化学习提供 教学设计方法。数字化学习希望构建一个理想的学习环境，在其中可以按各自的需求 进行学习情景的创建、丰富的资源共享、快速灵活的获取信息、自由个性化的交互方 式，从而有利于培养学习者的创造性和学习的能动性，构造一个以学习者为中心的数 字化学习社区。 7 移动式学习平台体系结构设计与实现研究 对传统教学模式的补充和改革，培养真正的创新型人才则是数字化学习的目的。 基于在线方式的学习能够让学生更加深入地进行讨论和介入。和用现代信息技术实现 互动和协作交流环境，学习效果比传统的课堂的互动效果要好。在线学生比传统方式 更愿意进行相互交流。学生在网络上学习时产生的群体效应，比教师带领的方式更加 主动。 2 ，2 3 数字化学习的发展状况 数字化学习是一个跨领域的学术研究课题，需要计算机、通信与信息工程以及教 育、心理学多方面的人才与广大教育工作者的共同努力才能取得好的成果。 最早投入数字学习科技研究的信息科学人员是一批研究人工智能的学生，第一个 系统是在麻省理工学院的人工智能实验室产生。国内外对这个方面也进行很多研究， 文献 1 5 v p 对网络教学中的个性化策略做了较为深入的研究，从理论上进行了建模和 分析，结合先进网络技术实现了个性化网络教学的原型。文献 1 6 】中使用一个基于 w e b 的远程教学方案。其中，它将远程教学的支撑系统划分为多个子系统，包括实 时授课平台、学习交流予系统、课程指导子系统、答疑系统、考试及评价子系统等等。 其间通过分布式代理的模式进行系统之间的通信和数据交换，系统集成和升级的代价 大大地降低了。台湾中央大学在数字学习的研究中较为领先。第一个“学习同伴系统” 在1 9 9 1 年发表。8 0 年代中，美国新泽西大学使用电子邮件方式让学生可以在网络上 讨论、提交作业、老师批改作业等等【1 7 】。数字革命与知识经济的结合，创造了一个全 新的数字学习市场。根据c i om e t r i c s 的报导，2 0 0 1 年有2 4 的美国公司采用数字学 习来训练员工。2 0 0 1 年4 月m i t 宣布两项计算一- o p e n c o u r s e w a r e i n i t i a t i v e 及o p e n k n o w l e d g ei n i t i a t i v e 。前者将在十年之内将2 0 0 0 门该校课程放上网络，网站上将免费 提供授课讲义、问答、教学大纲、测验等资源：后者将发展互通性学习工具，以配合 教学及制作教学资源。文献【1 8 】中描述了数字化学习在芬兰的发展情况。芬兰已经启 动了一个关于研究数字学习和相关议题的研究计划，并得到国家的资助。已经取得的 部分成果包括数字化学习在大学、幼儿园、终身学习以及社会职业教育中的理论及相 关应用研究。同时，一个称为“e x p e r i m e n t a ll a b o r a t o r yo f i n f o r m a t i o ns o c i e t ya n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ”的研究也正在进行，主要是研究如何利用移动设备进行移动学习。 2 3 移动式学习平台 信息技术，特别是移动计剿1 9 】【2 0 1 的快速发展深刻影响着人类的工作与日常生活， 甚至改变了现在传统的教育模式。移动式学习平台是针对新一代数字化学习环境结合 多媒体技术和嵌入式系统相关技术研究和开发的新型移动学习结构。 硕士学位论文 2 3 1 移动学习的发晨 移动学习的发展最早期首先是远程教育( d l e a r n i n g ) 的出现。1 9 世纪后期到2 0 世纪前期工业革命中科技的发展，特别是通信技术和运输技术的发展，为远程教育铺 平了道路。远程教育是一种教师与公众或学生在时间上和空间上是分离的教育。媒体 技术被用来传输知识。虽然此时的远程教育更多的是通过常规的信件和电话在教师和 学生之间建立联系，但其主要的特点已经比较明显，就是教师和学习者分离、学习者 和学习群体分离以及利用先进技术手段进行通信。 远程学习提供了学生在课堂之外，用户认为方便的时候学习课程资源的机会。2 0 世纪8 0 年代信息技术的进步，产生了多媒体辅助工具，而电信和通信相关工程的快 速建设意味着可以方便地同时连接几个地理位置不同的地方，建立一个虚拟教室，将 远程教育从单个变为提供基于团队、面对面的远程教育。虚拟教室的远程教育方式的 应用不仅仅限制于兼职学生，它可以同时将教学内容分发到不同位置的全职学生那 里。实际上当前中国很多的高校甚至中学已经在采用这种教育方式。上述技术的应用 允许教师具有更加灵活的教学安排，更为丰富多彩的教学方法以及节约大量的教育资 源。 个人电脑的使用普及和网络技术的快速发展使得远程教育发展出一个新的分 支一一数字化学习( e h e a r n i n g ) 。数字化学习的基本概念和内涵在上一节中已有介绍。 在e l e a r n i n g 中，电脑和网络成为其中最重要的工具。个人电脑用来展示或者发布相 关的教学内容，而网络技术的支持贝使得教师和学生可以分离开来。通过电脑网络提 供的技术手段，学生可以相互之问以及和老师进行双向交流，并从中获益。网络技术 的一个巨大优势是平台独立性和支持多种媒体形式【i 】，例如，音频和视频。网络技术 的全球性意味着教学活动可以同步的和异步的开展。此时，时间和空间已经不在受到 限制，因为教学活动可以在任何有电脑和能够访问网络的地方发生。老师的角色也变 得更加灵活，他们可以从家里或者办公室进行指导。师生之间的互动通过使用e m a i l 、 讨论论坛、聊天室等等。 e l e a r n i n g 包括在线学习、基于w e b 的培训、虚拟大学和教室、数字协作和基于 技术辅助的远程学习，大多利用目前的有线网络。但是从有线到无线的转变已经证明 是新世纪中非常熏要的技术发展方向。虽然e l e a r n i n g 相比于远程教育( d l e a r n i